基于地震波法的水泥混凝土路面脱空检测

邱 凡

（江西省四通路桥建设集团有限公司,江西 新余 338000）

0 引言

板底脱空是水泥混凝土路面常见的病害形式，板底脱空出现后，必将引发应力集中，断板等病害，进而影响路面承载性能和使用寿命。在日常养护及提质改造过程中，必须及时预防并处治脱空病害，而如何准确测定板底脱空状况是预防与处治的前提。当前，关于板底脱空的检测方法主要有声波法、雷达法、落锤式弯沉仪法、贝克曼梁法等，以上方法均存在检测过程复杂，施测难度大，费用高等问题。因此，已经有研究者开始探索振动检测方法判断水泥混凝土路面脱空的工程问题。

基于此，该文依托高速公路水泥混凝土路面实际，展开地震波法在路面脱空检测中应用情况的分析，验证此类方法的技术优势，并为工程应用提供借鉴参考。

1 地震波法检测路面脱空的原理

水泥混凝土面板遭受瞬间冲击荷载作用后，只表现出瞬态振动，而无稳态振动；冲击结束后面板将以自然频率持续表现出自由振动。在路面板层间摩擦力与相邻面板间侧向约束力的作用下，板体受到竖向冲击荷载或行车荷载作用后，仅产生小幅度竖向位移。故可将水泥混凝土路面板遭受瞬态冲击后产生的振动简化为单自由度系统的自由振动过程[1]。

对于板底脱空的路面板而言，在受到冲击荷载作用后，振动频率、振幅、振动周期等振动特性参数会表现出一定差异。板底脱空面积越大，面板振动系统等效刚度削减也越严重，自然频率也越低，振动周期越长。

检测开始前，将振动传感器布设于混凝土面板边或板角，再借助激振设备向相应位置施加冲击荷载，同时通过振动仪监测和收集面板振动信号，对信号展开频域和时域分析[2]，并探索不同脱空状态下路面板振动特性规律，达到水泥混凝土路面板底脱空振动评价的目的。

2 工程应用

某高速公路全长114 km，双向四车道设计，全线均采用水泥混凝土路面，部分高填方路段为连续配筋混凝土路面，公路于2016 年建成通车。为进一步提升公路段服务能力和行车舒适度，降低噪声和日常养护压力，公路管理部门于2022 年底对公路进行加铺沥青面层的升级改造。在加铺养护前，对原路面板底脱空等病害进行全面处治，考虑工期紧、任务重，经过比选、研讨与论证后，决定采用施测简便、测值精度高的地震波法检测技术。

2.1 混凝土板脱空室内检测

2.1.1 检测方案设计

结合该公路实际并参考常用路面结构尺寸，运用相似性原理，按照一定缩放比例拟定室内脱空试验板尺寸。基层试验板长×宽×高为2 700×1 200×80 mm；面层试验板长×宽×高为1 500×1 000×80 mm，具体情况见图1。

图1 基层试验板与面层试验板布置情况（mm）

对于板底脱空的水泥混凝土路面而言，脱空区通常形似三角形楔形体，脱空高度一般为0～5 mm，故室内检测时，通过预埋1 块直角边长均为600 mm、斜边高度3 mm 及1 块直角边长均为600 mm、斜边高度为6 mm的木质等腰直角三角形模板以形成脱空区。模板埋设后形成图1 中的A 脱空区和B 脱空区，两个脱空区面积相等，埋深分别为3 mm 和5 mm。在基层试验板上按设计厚度浇筑贫混凝土后标准养护7 d；待基层实际强度达到要求后在其上安装模板，并浇筑面层试验板混凝土。考虑试验期间面板前后移动的便利性，还应在面层试验板4个边角处埋设吊环，并在相应位置布设少量铁丝，增强板角处结构的抗弯拉强度。

室内试验过程中面层、基层模板高度应和面层、基层厚度保持一致，利于混凝土初步刮平，确保面层和基层接触面的平整度，避免面层水平移动时在预先设置的三角形脱空区外出现新的脱空区，增大试验难度，并影响试验结果的准确性。

测试仪器参数中采样率、量程最为关键。采样率过低必然造成待测信号波形失真，采样率过高则会缩短采样时间，造成部分待测信号丢失[3]。在量程设置时，必须确保各通道待采样幅度最大峰值均位于量程档以下，以防出现信号削顶，影响检测精度。

2.1.2 检测过程

在检测前准备激振器，1 个竖向传感器和2 个水平传感器，此外，还准备可自动采集记录各类地震波、机械振动等冲击信号的IDTS3850 振动记录仪。检测前连接传感器和记录仪，检测过程中，仪器会将电压量转换为数字信号存储，并通过RS232 串行口实现与电脑的实时通讯，各类特征参数值最终通过波形、图谱的形式由计算机显示。

在脱空板标准养护30 d 后展开室内检测。检测前按要求连接仪器，检查并确保各仪器与振动测试仪上的相应通道一一对应，无误后通过强力粘胶固定传感器，待胶水凝固且粘接牢固后，根据检测要求进行采样率、量程、触发电频、触发模式等测试参数设置[4]。

室内检测主要拟定出5 种工况，见表1。经试锤试验确定，当落锤高度为3 mm 时，既符合检测仪器量程，又不会引发振动参数间较大的差值，故各类工况下落锤高度均按3 mm 确定[5-6]。

表1 室内检测工况

为准确界定不同脱空状态，研究引入脱空率的概念，即板角脱空区域面积与整个混凝土面板面积之比[5]，公式如下：

式中，λ——脱空率；x、y——直角三角形脱空区的直角边边长（mm）；A——发生脱空的水泥混凝土面板面积（m2）。

将该室内检测相关参数值代入式（1），可以得到5种工况下板角区脱空率分别为0%、2.08%、2.08%、8.33%、8.33%[7]。

2.1.3 检测结果

水泥混凝土面板脱空室内检测结果见表2，表中各组数据均由3 个通道IDTS3850 振动仪测值组成。各通道均与1 个固定传感器对应，通道1 对应垂直向传感器，通道2 和3 对应水平向传感器，各测点展开8 次重复性检测，最后取均值。

表2 室内地震波检测数据

根据表中测试结果，通道2 和通道3 测值较为接近，而通道1 测值差异较大。通过对通道1 测值柱形图及脱空情况时程曲线、频谱图等的分析看出，脱空面积是影响主频、振动时间、振速等振动信号特征的关键因素，脱空深度对振动信号特征的影响几乎可忽略不计[8]。

当脱空状态从工况1 向工况5 变化时，通道1 主频均值从1 011.943 1 Hz 降至49.017 3 Hz；最大振速均值从3.187 1 cm/s 增至14.621 7 cm/s；振动时间从8.583 0 ms增至25.567 0 ms。通道2 和通道3 各检测参数的变动趋势与通道1 基本一致，因板角脱空呈悬臂状，激励也在竖向发挥作用，通道1 恰好与竖向传感器连接，故通道1各项测值的变化趋势更为明显。

总之，水泥混凝土路面脱空率与振动信号特征参数间存在较好的相关关系。

2.2 混凝土板脱空室外检测

2.2.1 检测过程

在室外检测阶段，主要依托该公路病害实际，展开水泥混凝土面板板底脱空情况调查。具体而言，根据《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ 073.1—2011），以弯沉超出0.2 mm 为面板脱空初步判定标准；并结合板底错台、唧浆及锤击回声等对脱空程度进行综合判断。

2.2.2 检测结果

混凝土板脱空室外检测仪器和方案与室内检测基本一致，仅激励施加方式不同。室外主要通过10 kg 重的30LB 型铁锤施加地震波，落锤高度按2.1 m 控制，在与传感器相距10～20 cm 处展开锤击。试验工况简化为板底无脱空和板底脱空两种，该公路水泥混凝土路面脱空室外地震波检测结果见表3[9]。

表3 室外地震波检测结果

根据表中试验结果可以得出该高速公路地震波检测中不同脱空状态下振动参数变化的趋势规律。据此可知，随着脱空状态的变化，室外检测结果变动趋势规律与室内检测结果基本一致，即通道1 板底有脱空时的振动时间和最大振速均较大，主频降幅明显，通道2 和通道3变化规律相似，但变动程度略小。

可见，水泥混凝土路面板底脱空程度和主频、振动时间、振速等相关性较好，根据振动板主频、振动时间、振速等参数取值情况，便可推断出水泥混凝土板底脱空程度。

3 结论

综上所述，水泥混凝土面板板底脱空面积对地震波振动特性参数影响较大；随着板底脱空状态的变化，室内、室外地震波测值变动的趋势规律基本一致；板底脱空状态和主频、振动速度、振动时间等特性参数间存在较好的相关关系，可以通过各参数取值大小展开对水泥混凝土路面脱空病害及程度的判断。此外，地震波法检测板底脱空病害比其他检测方法更具优势，施测过程简便，数据易于获取，测试结果精度高，可在水泥混凝土路面脱空病害检测中推广应用。